Развитие теории гетерозиса у растений

В последние годы гетерозис установлен для многих растений и животных. Однако вопрос о механизме гетерозиса до сих пор остаётся нерешённой проблемой.

Гетерозис – увеличение мощности и жизнеспособности, повышение продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами [1– 7 и др.].

В результате расщепления по генам во втором и последующих поколениях эффект гетерозиса постепенно затухает [8; 9].

Гетерозис, как проявление мощности гибридов первого поколения, издавна привлекал внимание исследователей. Еще в 1765–1767 гг. И. Кельрейтер [10] впервые описал более мощное развитие гибридов (бастардов) табака от скрещивания Nicotiana rustica х N. glutinosa . Им было подмечено, что гибридная мощность сильнее выражена при скрещивании неродственных растений и что гибридная сила имеет прогрессивное значение в эволюции. Однако он не мог дать научного объяснения причины гетерозиса.

Грегор Мендель [11] в 60-е годы XIX в. отмечал увеличение размера гибридных растений гороха, но не придал этому явлению должного внимания. При этом им были выделены доминантные и рецессивные признаки растений гороха, а также выявлены законы единообразия гибридов первого поколения и расщепления гибридов второго поколения.

В 1876 г. Чарльз Дарвин [12] в работе «Действие перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире» отмечал, что средняя высота восьми перекрест-ноопыленных растений сахарной свёклы ( Beta vulgaris ) равна 34,09 дюйма, а средняя высота восьми самоопыленных растений – 29,81, что дает соотношение 100 : 87. «Не подлежит сомнению, – писал он, – что у Beta vulgaris большое число самоопы-ленных семян погибло в процессе прорастания под землей, в то время как пере-крестноопыленные семена, посеянные в то же время, не страдали подобным образом». Из многих сотен растений пере-крестноопыленных погибло только семь, в то время как из числа самоопыленных таким путем было потеряно 29 растений, т.е. число более чем в 4 раза превышающее первое.

Явление гибридной силы, отмеченное в многочисленных опытах на ряде культур, объяснялось Дарвином благоприятным влиянием слияния половых элементов разнокачественных родителей.

Дж. Шелл [13] отмечал, что многие ученые (например, Т. Найт и Л. Бербанк) фиксировали в своих исследованиях чрезмерную мощность некоторых гибридов по сравнению с их родителями, однако признание гибридной силы как природного явления не привело к созданию теории гетерозиса.

P.G. Holden [14] указывал, что до начала двадцатого века гибридная кукуруза не была известна в селекционной практике. Было установлено, что самоопыление приводит к заметному вырождению и отмечалась важность контролирования родословной.

Только с начала ХХ в., когда стал возможен научный анализ явлений гетерозиса, были сделаны первые попытки теоретического объяснения этого процесса [15].

Было предложено несколько теорий, объясняющих явление гетерозиса. Независимо друг от друга E.M. East [16] и H. Shull [17] высказали мнение, что слияние наследственно разнородных половых клеток само по себе играет положительную роль в развитии гибридного зародыша кукурузы.

Полагая, что более мощный рост и развитие гибридов первого поколения не может быть объяснено положениями Грегора Менделя, а гетерозиготность является основой физиологического стимулирования, вызывающего проявление гибридной силы, G.H. Shull [18] предложил вместо термина «стимул гетерозиготности» название «гетерозис». В его гипотезе объяснение гибридной силы связано с явлением физиологической стимуляции, обусловленной гетерозиготностью. E.M. East, H.K. Hayes [19] приписывали мощность растений гетерозиготному состоянию. По их мнению, чем большее число локусов гибридов гетерозиготно, тем сильнее гетерозис. Отсюда следует, что если в основе гетерозиса лежит гетерозиготность, то теоретически невозможно получить ин-бредную линию, столь же мощную, как гибриды.

R.A. Fisher [20] назвал эту концепцию сверхдоминированием.

Учитывая, что максимальный эффект гетерозиса достигается, как правило, при скрещивании неродственных линий, наиболее вероятно, что эффект гетерозиготности тем больше, чем значительнее различаются между собой аллели каждого локуса.

K. Mather [21] отмечал, что гетерозиготы, значительно различающиеся по генному составу, обычно более развиты и проявляют большую физиологическую дивергенцию, а их развитие более стабильно. В большинстве случаев моноги-бридный гетерозис проявляют те мутантные гены, которые в гомозиготном состоянии вызывают более значительное снижение жизнеспособности, чем остальные.

E.M. East [22] развил свою теорию, предложив существование нескольких аллелей в одном локусе: а1, а2, а3 и т. д., причем величина эффекта гетерозиса возрастает по мере увеличения различий между аллелями, присутствующими в одном локусе: а1а2 меньше а1а4 и т. д.

В качестве примера, доказывающего преимущество гетерозигот по сравнению с гомозиготами, можно отметить исследования S. Emerson [23], который в своих опытах установил, что равновесие, достигнутое в гетерокарионах нейроспоры обеспечивает более оптимальный рост, чем рост любого из гомокарионов.

L.J. Stadler в 1942 г. [24] показал возможность моногибридного гетерозиса. При скрещивании растений кукурузы одной линии (с окрашенным алейроном и неокрашенными пыльниками) с другой (с неокрашенным алейроном и окрашенными пыльниками) автор получил растения с окрашенными пыльниками и алейроном. Он предположил, что если аллели, ответственные за окраску, влияют и на синтез какого-либо вещества, то гетерозиготные по этим аллелям особи должны быть более мощными, чем любая гомозиготная форма.

Экспериментальные подтверждения моногибридного гетерозиса получены на чистых линиях ячменя, кукурузы, томатов и т. д., различающихся лишь по одному локусу [25–30]. Вместе с тем имеется ряд исследований, подтверждающих эффект гетерозиса у различных видов растений, отличающихся специфическими мутантными генами [28; 31; 32; 33].

Н.В. Турбин [34] считал, что одним из подтверждений в пользу теории сверхдоминирования служит гетерозис двойных межлинейных гибридов кукурузы.

Теория сверхдоминирования предусматривает активность у гетерозигот обоих аллелей данного локуса и невозможность закрепления эффекта гетерозиса в F 2 и последующих поколениях.

Следует отметить, что гипотеза сверхдоминирования объясняет эффект гетерозиса, обусловленный специфической комбинационной способностью отдельной линии или сорта. Причем при скрещивании различных инбредных линий удается добиться большей гетерозиготности, чем при скрещивании сортов [35].

Исследования, проведенные F.D. Richey, G.F. Sprague [36], по конвергентному улучшению кукурузы выявили явное противоречие гипотезе сверхдоминирования. Экспериментальные данные применительно к этой культуре, также противоречащие этой гипотезе, получили H.K. Hayes, E.H. Rinke, Y.S. Tsiang [37].

Л.В. Хотылева [38], В.А. Трофимов [39] считали, что упрощенное понимание зависимости гетерозиса от разнородности родительских форм неправильно. Наряду с этим K. Mather [21] установил, что у самоопыляющихся видов гетерозиготные гибриды не всегда превосходят своих гомозиготных родителей по мощности или гомеостатичности, поскольку одной гетерозиготности здесь, очевидно, недостаточно.

Другой теорией, объясняющей гетерозис с генетической точки зрения, является гипотеза, основывающаяся на явлении доминирования.

Н. Давенпорт (цит. по Шахбазову [40]) показал в 1908 г., что признаки, проявляющиеся в первом поколении гибридов, то есть доминантные, обычно благоприятны для роста и развития организма, а признаки, подавляемые при скрещивании, – рецессивные, чаще всего с неблагоприятными эффектами. Эти различия легко объяснимы: вредные доминантные мутации элиминировались естественным отбором, а неблагоприятные рецессивные мутации могли накапливаться, так как они не проявлялись в гетерозиготном состоянии. Эти представления были использованы для объяснения эффекта гетерозиса.

Гипотеза доминирования возникла благодаря открытию Nilsson-Ehle [41] множественных факторов, ответственных за окраску зерна у пшеницы. Он установил, что окраска зерна у пшеницы тем интенсивнее, чем в большем числе локусов присутствуют доминантные аллели.

В 1910 г. независимо друг от друга A.B. Bruce [42] и K.F. Keeble, C.J. Pellew [43] в своих работах развили эту теорию. Они объяснили явление гетерозиса накоплением благоприятных доминантных генов у гибридов первого поколения, полученных ими от родителей. K. Keeble и C.J. Pellew в опытах на горохе установили, что гибриды от двух популяций этой культуры были выше в силу того, что величину роста контролировали два различных доминантных аллеля: одна вызывала удлинение междоузлий, а другая – увеличение их числа. Таким образом было показано, что гетерозис обусловлен аддитивным (суммирующим) взаимодействием генов.

R.A. Emerson, E.M. East [44] установили, что в F 2 должно наблюдаться асимметричное распределение изучаемых признаков вместо нормального (на основании формулы Харди-Вайнберга). E.M. East, H.K. Hayes [19] и H. Shull [45] возражали против этой теории, так как она допускает получение мощных инбредных линий, чего на практике не обнаружилось.

D.F. Jones [46] придавал особое значение очень важному дополнительному фактору – сцеплению. Это предположение о сцеплении доминантных и рецессивных аллелей разных локусов одной хромосомы частично объясняет симметричное распределение особей во втором гибридном поколении. Позднее W.N. Collins [47] отметил, что, если вовлечено 20 и более генов, асимметричность не может быть обнаружена. Сцепление аллелей различных локусов в одной хромосоме и малая вероятность получения гомозигот с доминантными аллелями объясняют практическую трудность получения гетерозисных ин-бредных линий, имеющих в своём генотипе только благоприятные доминантные аллели.

Дж.Л. Брюбейкер [48] отмечал, что асимметрия значительно уменьшается под влиянием окружающих условий, а также при неполном доминировании.

В качестве доказательства теории доминирования можно привести опыты F.D. Richey, G.F. Sprague [36]. Они показали возможность конвергентного улучшения линий кукурузы путем однократной взаимной гибридизации и последующих возвратных скрещиваний лучших растений на обе исходные инбредные линии. Гибридные растения F 1 , полученные от скрещивания улучшенных линий, были равны или превосходили формы от гибридизации исходных линий. Предполагается, что уровень гомозиготности в первом случае будет выше.

Теорию доминирования для объяснения причин гетерозиса подтвердил математическими расчетами F.D. Richey [49] в 1945 г.

Гипотеза доминирования пользуется широкой популярностью благодаря тому, что она впервые связала причины гетерозиса с аддитивным действием доминантных генов. На её основе успешно осуществлялась практическая селекция кукурузы в течение многих лет. А многочисленные исследования не раз подтверждали эффективность этих взаимодействий [42; 43; 50; 51; 52].

Гипотеза благоприятных доминантных факторов нашла применение в работах отечественных ученых: М.И. Хаджинова [53], С.Г. Галеева [54], Б.П. Соколова [55] и многих других.

J.F. Crow [57] в своей работе «Доминирование и сверхдоминирование» рассмотрел обе гипотезы. Он пришел к выводу, что теория доминирования хорошо объясняет депрессию линий при инбридинге, а также восстановление мощности при гибридизации. Но эта гипотеза не дает удовлетворительного объяснения, почему гибриды значительно превосходят по мощности популяции, из которых происходят их родители. Столь значительное увеличение мощности гибридов, по-видимому, следует объяснять эффектами сверхдоминирования.

Значение доминантных благоприятных факторов в гетерозисном эффекте не исчерпывается подавлением вредных ре-цесссивов (аллельные взаимодействия) и аддитивным действием (неаллельные взаимодействия).

Таким образом, в настоящее время объяснение причин гетерозиса сводится к двум основным гипотезам – доминирование и сверхдоминирование. По гипотезе доминирования гетерозис связан с тремя эффектами действия доминантных генов: подавлением вредных рецессивных аллелей, аддитивным эффектом и неаллельным комплементарным эффектом. Гипотеза сверхдоминирования объясняет эффект гетерозиса взаимодействием между доминантным и рецессивным аллелями одного гена.

S.S. Atwood, J.T. Sullivan [57], изучая наследование качественных признаков у клевера, установили, что синтез синильной кислоты контролируют две пары генов. Один доминантный аллель контролирует синтез глюкозида, а другой – превращение глюкозида в синильную кислоту. Скрещивание двух растений, ни одно из которых не содержало синильной кислоты, привело к образованию гибридов, содержащих эту кислоту. Это пример комплементарного взаимодействия генов или одна из разновидностей эпистаза. Таким образом, эпистатическое взаимодействие генов является третьим предположением о действии доминантных аллелей в гибридных организмах.

Из работы G.F. Sprague, L.A. Tatum [58] следует, что доминирование и эпистатиче-ское взаимодействие генов определяют специфическую комбинационную способность (СКС), тогда как аддитивное взаимодействие – общую комбинационную способность (ОКС). Таким образом, теория сверхдоминирования объясняет эффект гетерозиса, обусловленный СКС родительских форм, теория доминирования – как ОКС, так и СКС.

J.B. Haldane [59] и J.F. Crow [60] обосновали мутационную теорию гетерозиса. Согласно этой теории, в популяциях постоянно возникают полезные или вредные рецессивные мутации. Если возникают вредные мутации, то они не могут существовать продолжительное время, так как элиминируются в гомозиготном состоянии под действием естественного отбора. Если же мутация дает организму какие-либо преимущества, то она сохраняется отбором, и количество таких мутаций постепенно увеличивается. Предполагается возможность выделения из случайно отобранной популяции менее жизнеспособных линий и получения после их скрещивания гибридного потомства, которое будет превосходить средний уровень данной популяции. Эффект гетерозиса объясняется величиной адаптивности случайно отобранной популяции как основы линии.

J.M. Rendel [61] назвал эту гипотезу теорией «вредной мутации» (“harmful mutation”).

Th. Dobzhansky [62] в 1952 г. всё многообразие проявлений гетерозиса предложил разделить на два класса: эугетерозис и избыточный. Эугетерозис, или настоящий гетерозис, означает, что его обладатель имеет большую адаптивность и оставляет большое потомство. Избыточный гетерозис выражается в мощном развитии каких-либо органов или функций, не дающих никаких приспособительных преимуществ их носителю.

В дальнейшем к названным выше гипотезам, объясняющим явление гетерозиса, прибавилась разработанная главным образом K. Mather [21], J.M. Lerner [63] и Н.В. Турбиным [2] теория генетического баланса. Сторонники этой теории связывают эффект гетерозиса с благоприятным суммарным эффектом сходного действия разнородных генетических процессов. Эти генные системы обеспечивают их обладателей высокой устойчивостью (homeostasis) и сохранением этого состояния в последующих поколениях.

В настоящее время становится ясным, что гетерозис связан как с доминированием, так и со сверхдоминированием, при этом значение их может быть различным в зависимости от конкретного случая.

Н.В. Турбин [64] считал, что величина гетерозиса, по-видимому, более устойчива в тех случаях, когда она является результатом совместного действия нескольких локусов, и менее устойчива, когда зависит только от одного или двух локусов.

Однако необходимо отметить, что теория генетического баланса не решает вопросы в отношении генетических механизмов рассматриваемого явления и удельного веса тех или иных типов взаимодействия наследственных факторов [65; 66].

Шведский селекционер Х. Нильсон пытался (цит. по Х. Шмальцу [67]) связать гетерозис с плазмой клетки. По его мнению, в результате инцухта более однородным и гомозиготным становится не только ядерно-генетическое вещество, но и плазма клетки. Эта унификация и однородность плазмы могли бы быть причиной инцухт-депрессии. После скрещивания гомогенность плазмы устраняется, в результате чего проявляется более сильный гетерозис. В конце 60-х годов были получены 121

данные, подтверждающие, что гетерозис можно объяснить определенным вкладом цитоплазматических факторов [68].

На влияние элементов цитоплазмы указывает тот факт, что эффект гетерозиса у реципрокных гибридов различен. При реципрокных скрещиваниях в одних случаях влияние цитоплазмы материнской формы может быть очень существенным, в других – оно не проявляется [69]. D.F. Jones [70], М.Е. Лобашев [15] и другие рассматривали гетерозис как взаимодействие ядра и цитоплазмы.

• D. Lewis [71] в свою очередь полагал, что следует различать положительный и отрицательный гетерозис.

Понятие уравновешенного эугетеро-зиса, т. е. гетерозиса, уравновешенного хромосомными механизмами, предложил Th. Dobzhansky [72].

По мнению Ф.М. Куперман [73], гибридная сила объясняется комплементацией стадийного развития родительских форм. Ю.П. Мирюта [74] считал, что гетерозис – это сама жизнедеятельность организма вместе со способностью её повышения. Повышенная жизнедеятельность организмов, возникающая в результате естественной и искусственной гибридизации, рассматривается лишь как повышение гетерозиса, а не как явление гетерозиса в целом. Анализ расщепления гибридов арахиса второго и третьего поколения при скрещивании с исходными формами позволил ему сделать вывод о константности рецессивов и доминантов. У перекрестно-опыляющихся растений экзогамия является источником гетерозиготности, но она осуществляет еще и сочетание гетероге-номности по многим признакам в одном организме. В данном случае гетерогеном-ность возникает за счет неравного крос-синговера, который является источником дупликаций, особенно мелких. Было также замечено, что константная гетерозиготность может быть следствием взаимных транслокаций.

Х. Даскалов [30] и В.Г. Конарев [75] полагали, что гетерозис является особой формой стимулирующего эффекта.

Гипотезу физиологического гетерозиса предложили Ф.Ф. Мацков, С.Г. Манзюк [76] и С.Г. Манзюк, Л.Е. Закревская [77]. 122

В.И. Северин [79] объяснял гетерозис избытком наследственной информации в виде копий структурных генов.

В.Г. Шахбазов [40] связывал преимущества гибридных организмов с менее тесной коньюгацией их гомологичных хромосом.

• J . MacКey [79] подразделял все формы гетерозиса на три группы: 1) по проявлению (положительный и отрицательный); 2) по функции (адаптивный, селективный, репродуктивный); 3) по способности передачи половой линии (лабильный гетерозиготный и гетерокарпический, фиксированный гетерозиготный и гомеологичный).

Д.С. Омаров [81] рассматривал гетерозис на трех уровнях: гипотетическом (Ггип.), истинном (Гист.) и конкурсном (Гконк.). Гетерозис (в %) показывал как превышение значения признака у гибридов по сравнению:

• -    со средним обеих родительских форм (Рср.):

Ггип.,% = (F 1 – Pср.)/Рср.;

• -    с выражением признака у лучшего родителя (Рлучш.):

Гистин.,% = (F 1 – Pлучш.)/Рлучш.;

• -    с общепринятым стандартом (PSt):

Гконк.,% = (F 1 – PSt)/PSt.

A. Fasoulas [81] считал, что гетерозис обусловлен рядом генных взаимодействий: а) кодоминантных и коэпистатиче-ских генов; б) доминантных генов с полу-эпистатическим действием; в) эффектом гипостатических генов.

И.М. Молчан [82] отмечал, что у пере-крестноопыляющихся видов растений в естественных условиях гетерозиготность (межаллельная комплементация) – основной способ создания генетической гетерогенности.

В процессе эволюции самоопыляющихся видов оказалось возможным закрепление гетерогенности с помощью транслокаций, инверсий, генных и геномных дупликаций. Как справедливо отмечал Г.В. Гуляев [83], проблема закрепления гетерозиса решается так же за счет вегетативного размножения.

У растений, размножающихся семенами, самым эффективным способом закрепления гетерозиса может быть апомиксис.

У автополиплоидов во втором и последующих поколениях расщепление идет медленнее, чем у исходных диплоидных растений, гомозиготных форм выделяется значительно меньше, тем самым высокий уровень гетерозиготности поддерживается более длительное время.

Шведский генетик А. Gustafsson (цит. по Г.В. Гуляеву [83]) предложил разделить гетерозис у растений на три основных типа: репродуктивный, соматический и приспособительный. Репродуктивный гетерозис выражается в лучшем развитии органов размножения растений, повышенной фертильности, большем урожае плодов и семян. При соматическом гетерозисе у гибридных организмов наблюдается более мощное развитие вегетативных частей. Приспособительный, или адаптивный, гетерозис выражается в повышенной жизнеспособности гибридов.

Оригинальная теория гетерозиса была предложена В.А. Струнниковым в 1983 г. [84] под названием «Гипотеза становления комбинационной способности». Согласно этой теории, в результате длительного отбора на жизнеспособность линии, несущие полулетальный ген в гомозиготном состоянии, претерпевают крупные генетические перестройки. Из резервов генотипа популяции образуется новая форма, отличительной особенностью которой служит появление мощного компенсационного комплекса из генов, контролирующих жизнеспособность.

В 1988 г. в своей работе «Гетерозис: физиолого-генетическая природа» Г.В. Филатов [85] приводил схему формирования гетерозиса на различных уровнях организации генома: молекулярном, биохимическом, физиологическом, клеточном и организменном.

В.А. Драгавцев с соавторами [86] предположили, что гетерозис обусловлен аддитивным действием различных генетических систем организма: адаптивности, аттракции, микрораспределения пластических веществ, оплаты питания и др.

По мнению Р.И. Ибрагимова, Р.Р. Рахметова [87], механизм проявления гетерозисного эффекта у гибридов кукурузы связан с различной функциональной активностью аллелей генов, кодирующих гетерогенность и активность ингибиторов протеаз.

В селекции существует также понятие эколого-генетического гетерозиса. Это гетерозис по урожайности, обусловленный сочетанием у гибрида хороших признаков адаптивности обеих родительских форм [88]. Считается, что экологический гетерозис по урожайности проявляется лишь в условиях изменчивой среды, которая влияет на рост и развитие исходных форм на разных этапах их вегетации, в то время как более многостороннему по адаптивным признакам гибриду удаётся выдержать все её лимитирующие воздействия. Для получения гетерозисных гибридных клонов родительские формы должны максимально различаться по генетическим свойствам.

Гетерозис гибридов, как правило, проявляется в первом поколении. Установлено, что затухание гетерозиса в последующих поколениях гибрида происходит из-за перехода рецессивных леталей, полуле-талей и субвиталий в гомозиготное состояние и нарушения комплекса благоприятных, скоординированно действующих генов. Устранение этих явлений приводит к закреплению гетерозиса в последующих генерациях. Оно выполняется посредством возвратных скрещиваний гибрида с искусственно полученными от него абсолютно гомозиготными андрогенетиче-скими сыновьями, после чего генетически трансформированный гибрид практически полностью очищается от вредных генов и одновременно сохраняет в целостности комплекс благоприятных генов, определяющих гетерозис. Это позволяет полностью сохранить гетерозис в последующих промышленных поколениях [89].

В связи с тем, что в механизме проявления гетерозиса наблюдаются практически все формы межгенного неаллельного и аллельного взаимодействия генов, природу этого явления до сих пор было трудно объяснить. Судя по многочисленным данным ряда авторов, возникновение гетерозиса у гибридов первого поколения вызвано целым рядом эффектов генов, из которых часть связана с аллельным взаимодействием генов: подавлением доминантными генами рецессивных аллелей, кодо-минированием (смесь действия обоих аллелей одной аллельной пары). Другие эффекты определены межаллельными взаимодействиями генов: аддитивным полимерным действием, неаллельным комплементарным взаимодействием, эпистазом и модифицирующим действием.

Гетерозис как феномен превосходства гибридов F1 над родителями служит основным механизмом повышения продуктивности в сельскохозяйственном производстве, но при этом остаётся одним из наиболее интригующих явлений с точки зрения генетики. Первые попытки выяснения его генетических основ базировались на использовании теоретических моделей, которые хотя и были приняты научным сообществом, но не могли в полной мере охарактеризовать это уникальное явление. С разработкой и распространением молекулярных маркеров основные усилия были направлены на поиск геномных регионов, ответственных за формирование генетического ответа в F 1 и выяснение перспектив использования оценки молекулярной дивергенции исходных родительских форм для предсказания урожайного потенциала гибридного потомства. Несмотря на некоторые успехи, эффективность такого подхода для практического использования оказалась ограниченной [90]. Выполненные исследования подтвердили, что генетическая гетерогенность необходима, но недостаточна для получения гетерозисного фенотипа. Развитие современных методологических подходов функциональной геномики и смежных дисциплин обеспечило новые возможности для изучения основополагающих механизмов гетерозиса на уровне генома, транскрипома и эпигенома в связи с различными типами взаимодействия генов (доминированием, сверхдоминированием, эпистазом). К настоящему времени описаны различия в геномной организации, генной экспрессии и эпигенетическом статусе гибридов F 1 и их родителей. На ге- номном уровне обнаружены QTL, ассоциированные с гетерозисом, изучена роль дивергенции ДНК в реализации генетического потенциала F1. На уровне тран-скриптома у гибридов, по сравнению с ин-бредными родителями, выявлены изменения в регуляции экспрессии генов, осуществляемой с участием генов циркадных часов. Определена важная роль эпигенетической модификации ДНК и геномного импринтинга в проявлении гетерозиса. Вся совокупность данных, накопленных к настоящему времени, свидетельствует о том, что гетерозис невозможно объяснить единственным общим механизмом, так как этот сложный феномен включает множественные компоненты, кумулятивный эффект которых приводит к формированию выдающегося явления.

В последние годы всё большее применение находят методы генетического прогнозирования гетерозиса растений.

Важную роль в проявлении гетерозиса играет наличие генетической дивергенции между исходными формами. В настоящее время для анализа генетической дивергенции применяются методы молекулярного маркирования (RFLP, RAPD, AFLP, SSR), что позволяет сгруппировать изучаемый материал по степени генетического родства. A.E. Melchinger [91] изучил возможность использования молекулярных маркеров для гетерозисной селекции на примере ряда культур (пшеница, рис, рапс, бобы) и показал, что ДНК-маркеры эффективны в установлении генетических различий между изучаемыми генотипами, группировке и классификации исходного материала и выборе родителей для создания базовых популяций в гетерозисной селекции. Автором показано, что ДНК-маркеры могут применяться для идентификации групп генетически средних генотипов, однако эффект гетерозиса не может быть предсказан на основе генетических расстояний с использованием ДНК-маркеров. Для этой цели необходимо применять полевые эксперименты.

Генетические маркеры, как и количественные признаки, представляют информацию о дивергенции генотипов по индивидуальным локусам. Поэтому среднее значение гетерозиготности гибрида может быть установлено, исходя из анализа его родительских линий. Было проведено несколько исследований, в которых авторы пытались предсказать гетерозис посредством соизмерения индексов дистанций, установленных с помощью генетических маркеров [92]. Анализ результатов, полученных на кукурузе и других культурах [93], приводит их к общему заключению: во-первых, прогнозы, сделанные с помощью многочисленных молекулярных ДНК-маркеров, в целом представляются более эффективными, чем предположения, основанные на данных по ферментным (белковым) маркерам, число которых ограничено [94; 95; 96], что может быть объяснено лучшим покрытием генома и более высоким числом аллелей ДНК-маркеров на локус.

Обнаружение, выделение, размножение (клонированием) и секвенирование генов, отвечающих за такие важнейшие функции растительного организма, как размножение и продуктивность, процессы изменчивости, устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов среды, связаны с выходом селекционных работ на качественно новый уровень [97]. Полное секвенирование генома даёт близкие к истинным сведения об общем количестве генов данного организма, позволяет поместить в банки данных более менее подробные и достоверные сведения об их структуре, облегчает работу по выделению и изучению индивидуальных генов.

Количественные признаки имеют сложную наследственную основу, проявляющуюся в непрерывной фенотипической изменчивости в расщепляющихся гибридных потомствах. Они контролируются большим количеством генов и в значительной степени подвержены модифицирующему действию окружающей среды.

Разработанная технология генотипирования на основе микросателлитного анализа позволяет надёжно различать сорта рапса, выявлять генетическую однородность селекционного материала и осуществлять контроль передачи генетического материала от родительских форм в гибриды [98]. Технология предназначена для решения таких селекционных задач, как определение однородности исходного селекционного материала, подбор родительских пар для скрещивания, контроль гибридности, регистрация новых сортов, контроль генетической подлинности сортов и защита авторских прав селекционера.

По культуре рапса разработаны методики анализа целевых геномных областей, связанных с агрономически важными признаками для выявления разнообразия ДНК последовательностей [99]. Целевое (тар-гетное) секвенирование заключается в выделении и секвенировании определённой области генома или подмножества генов в связи с тем, что высокоуровневого покрытия и разделения полигеномного секвенирования не хватает для обнаружения всех изменений в сложных образцах.

Впервые на селекционном материале подсолнечника ДОС ВНИИМК экспериментально определены ДНК-маркеры, позволяющие дифференцировать линейный материал [101]. Выявлены полиморфные участки хлорофильные ДНК у коллекционных образцов ВИР и проведено поли-генное секвенирование пластома инбред-ных линий культурной и дикорастущей форм подсолнечника. Определены информативные ДНК-маркеры устойчивости к ложной мучнистой росе и заразихе.

На материале генетической коллекции подсолнечника ВИР впервые изучено совместное наследование признака восстановления фертильности пыльцы и молекулярных маркеров генов Rf1, R1, RAdv, Pl5/ Pl8 [101]. Впервые с использованием гибридологического анализа проведена оценка диагностической ценности молекулярных маркеров гена Rf1 подсолнечника. Селекционный процесс создания высокопродуктивных гибридов, устойчивых к болезням и вредителям, сложен тем, что у растений ДНК содержится не только в ядре, но и в других органеллах клетки.

Выбор методических подходов к гетерозисной селекции должен основываться на нескольких принципах:

• -    изучение генетической природы количественного признака;

• -    анализ степени дивергентности исходных родительских форм;

• -    совершенствование методов отбора ценных исходных форм на основе молекулярных маркеров;

• -    анализ комбинационной способности родителей в соответствующих схемах скрещиваний;

• -    экологическая организация селекционного процесса (выбор типичных сред испытания, оценка адаптивной способности и экологической стабильности родителей и гибридов и др.);

• -    использование периодического отбора с целью аккумуляции и концентрации желательных аллелей в исходных популяциях и повышения эффекта гетерозиса в новых циклах селекции;

• -    оптимизация системы гибридного семеноводства, в том числе путём использования стерильных форм [102].